Освоение Марса

[AlexAV]

с предыдущей ссылки (про только одну постройку из многих)

Эти постройки не из любви к искусству строят, от них ожидают вполне конкретную экономическую отдачу. Здесь сравнение не вполне адекватное. Опять же сравнение идёт со стоимостью одной миссии. Но простой флаговтык даст немного в научном плане. Т.е. тот минимум с которого можно ожидать значительной отдачи - лежачая МКС на Марсе. А это требует не одной миссии, а по несколько ежегодно.

[AlexAV]

Если бы это было возможно, это давно бы уже было.

А если там жизни исходно никогда не было?

Или была, но не сумела освоить фотосинтез? Скажем у архей за миллиарды лет механизм фотосинтеза так и не появился, зато метаногенез, наоборот, никто кроме них не освоил. Вероятность того или иного эволюционного события вообще область довольно туманная.

Так что такой вывод пока делать нельзя.

[AlexAV]

Толку от тех лишайников не будет. Весь кислород, произведенный каким-то чудом из атмосферы, равной по давлению земной на 30 км высоте (а есть ли там жизнь?) будет связываться горными породами, а углерод пойдет в биосферу. В конце концов равновесие установится еще на более низком уровне, чем сейчас.

А вот это совершенно не очевидно. Т.е. в условиях марса значительная часть углекислого газа выморожена в полярных шапках. Плюс известняки (вообще неизвестно сколько). Если этот углекислый газ перевести в кислород - давление может существенно подняться.

Что касается горных пород... Опять же неизвестно содержание там восстановительных компонент способных связывать кислород. Существует вероятность что их будет немного в результате постепенного окисления в следствие фотолиза воды.

Опять же. Если терроформировать марс за счёт его собственных ресурсов невозможно, то в любом случае придётся признать его бесперспективным для освоения. Космический бильярд с доставкой на марс вещества в геологическом масштабе невозможен просто в следствие энергетических ограничений.

[AlexAV]

Оставим терраформацию Марса или бомбардировку его льдами нашим потомкам, которые, уровень техники еще продвинут к тому времени.

А не будет никакой качественно новой техники ни через сто, ни через тысячу, ни через миллион лет. Мы физически уже упёрлись в тот предел которой отведён нам природой.

[AlexAV]

Ну я приводил приблизительные расчеты гораздо выше показывающие, что для поддержания атмосферы Марса от диссипации

Диссипацию вы оценивали как-то совершенно странным образом. Она намного меньше этих взятых неизвестно откуда 100 млн. лет. Т.е. раз созданная атмосфера на Марсе (при современном уровне активности Солнца) будет существовать практически вечно. Т.е. Солнце превратится в красныё гигант раньше, чем она диссипирует (имеется ввиду в космос, процесс связывания её компонент литосферой может идти и быстрее).

Нет моль СО2 на моль О2 давление, если и поднимет то лишь за счёт восполнения СО2 из полярных шапок.

Так именно об этом и речь. На современном марсе давление атмосферы определяется давлением насыщенных паров углекислого газа над полярными шапками. Т.е. общее количество углекислого газа на марсе больше чем в атмосфере. Кстати для растений в принципе доступен не только свободный углекислый газ, но и карбонат-ион. Поэтому тут вопрос не только в количестве свободного углекислого газа (в атмосфере и вымороженного на полярных шапках), но и запасов карбонатов в литосфере.

Но и это возможно только за счёт расхода воды. Жизнь может осадить почти до СН2+Н2, но до чистого углерода придётся техническими методами.

Это не совсем правда. Глубоко метаморфизированные угли содержат очень мало водорода, т.е. являются практически чистым углеродом. Правда для этого требуется геологически большие времена.

Но существенно не это. Важно, что масса гидросферы может быть намного порядков больше, чем масса атмосферы (что в частности имеет место на Земле). В этом случае некоторая её убыль будет вообще незаметна.

[AlexAV]

.е. всего 40 МВт на удержание от диссипации. Добавим еще, допустим, столько же на добычу, погрузку и прочее. Удвоим эти цифры - скорость поставки газов превысит в 2 раза скорость убегания, итого атмосфера будет медленно увеличиваться.

Проблема убегания для марса сильно преувеличена. А вот главную вы не упоминаете.

За какое время, сбрасывая вещество в таких количествах, можно создать приемлемую атмосферу?

[AlexAV]

Ну я взял худший сценарий, скорость диссипации всё-таки имеет оценочный характер, у разных ученых по разному, и достоверно неизвестна. Атмосфера-таки улетучивается, ведь об этом говорят особенности изотопного состава газов (тяжелых больше, чем лёгких) и остутствие азота, который вряд ли мог весь связаться в грунте и где-то сейчас прятаться.

Здесь вопрос в том сколько его было первоначально. И здесь вроде  как имеет место оценка на уровне 30 мбар максимум (http://www.k2x2.info/astronomija_i_kosmos/_vikingi_na_marse/p9.php). Т.е. его первоначально было немного.

Т.е. темпы потерь не превосходят 10 мбар/млрд. лет. Такими темпами атмосферу соизмеримую с земной можно терять вечно...

[AlexAV]

Позволю усомнится: русла огромных рек на Марсе видны очень четко - не спутаешь, то есть был мощный (как на Земле) круговорот воды, то есть плотность атмосферы была близка к земной (с минимальность поправкой на разницу "же"). По-любому не менее 400-500 мм ртути у поверхности.

Здесь самый важный вопрос  -  миллиметров чего? Я о первоначальном химическом составе. Если это был преимущественно углекислый, то его исчезновение из атмосферы с диссипацией в космос связано не сильно. Т.е. он на геологических масштабах времени достаточно быстро связывается литосферой в форме карбонатов (собственно на земле количество связанного литосферой углекислого газа тоже на много порядков больше, чем свободного, если высвободить весь углекислый газ оттуда, то получилось бы давление приблизительно как на Венере, т.е. около 90 атм).  Кроме того есть предположения, что первоначальная атмосфера марса состояла даже не столько из углекислого газа как из диоксида серы, который связывается литосферой ещё интенсивнее.

[AlexAV]

Если Вы о парциальном давлении составляющих атмосферу газов - так по-идее стартовый состав атмосфер и Марса и Земли был схож в силу однотипности (Terra Firma) самых планет и одинаковой эпохи (условий) возникновения.

Марс меньше и объём газов, выделавшихся при дегазации, тоже был существенно меньше. Кроме того утверждение, что на Земле никакого связывания не произошло - в корне не верно.

Земли на которой не было связывания - это Венера. Уже из сравнения атмосферного давления видно, что 90% первоначальных газов ушло в литосферу (эта цифра вполне совпадает с оценками количества известняков фактически имеющихся на земле).

Причём атмосфера земли сильно поредела не только в части углекислого газа, но и азота. Архейское количество азота в атмосфере оценивается приблизительно вдвое больше современного. Процесс захоронения азота в осадочных породах тоже постепенно идёт, причём на геологических масштабах с достаточно заметной скоростью (хотя конечно и медленнее углекислого газа).

Кроме того надо учитывать довольно высокую тектоническую активность Земли в результате чего атмосфера в какой-то мере "подкачивалась" газами выделяющимися из мантии, что частично компенсировало потери обусловленные захоронением вещества атмосферы в литосфере.

[AlexAV]

Поэтому более вероятен катастрофический сценарий потери Марсом атмосферного давления ("Олимп" - явно ударного происхождения).

Здесь согласен. Крупные импакты вполне могли сыграть существенную роль в диссипации первоначальной атмосферы Марса.

[AlexAV]

Ну меньше площадь поверхности Марса в 3 с чем-то раза. Всего! Но нее на порядки же, чтобы радикально изменить механизм эволюции атмосферы.

Ну скорее важнее, что он имел меньший запас тектонической энергии (связанной преимущественно с дифференциацией недр). Т.е. его геологическая активность всегда была существенно ниже чем у Земли, а это именно те процессоры которые обеспечивают вынос газов из мантии в атмосферу.

[AlexAV]

А если не импакт, а просто рядом пролетело крупное тело. Не могло ли оно утянуть с собой атмосферу Марса.

Для этого очень большое тело нужно... А вот выбросы вещества при более менее обычных импактах роль играть могли. Кстати у идей терраформирования Марса путём его бомбардировки кометами есть существенный изъян. При большой скорости столкновения такая комета будет выбрасывать вещества больше чем приносить. Т.е. требуется не просто уронить комету, но ещё уронить её так, чтобы относительная скорость была минимальна (скажем по "догоняющей" траектории, когда перигелий орбиты кометы касается орбиты марса в точке столкновения и комета движется в том же направлении, что и он, догоняя его).

Но от карбонатов пользы мало, если потихоньку высвобождать углекислоту, она потихоньку будет продолжать вымерзать.

Карбонатный углерод в принципе доступен растениям (хотя большинство и предпочитает собственно углекислый газ).

Собственно моя мысль о терраформирование следующая. Поместить туда фотосинтезирующие растения (естественно имеется ввиду специально выведенные формы устойчивые к современным условиям Марса) плюс к ним добывать метанообразующих архей. И пусть они постепенно перерабатывают углекислый газ, карбонаты и воду в кислород. Кислород ведь вымерзать не будет и его давление в атмосфере начнёт расти до той степени пока скорость окисления образующегося органического вещества не сравняется со скоростью образования кислорода (в земной атмосфере имеет место такое же динамическое равновесие). Если при этом 100 мм рт. ст. кислорода окажется, то замечательно. Это будет уже совсем другой Марс. С каким-то католичеством жидкой воды и где можно жить без скафандра. Ну и температура (из-за роста парникового эффекта) увеличится, хотя конечно всё равно будет весьма холодно, а на большей части планеты сухо. 

Главное всё получается очень дёшево и доступно на современном технологическом уровне. Естественно для успеха требуется наличие достаточных ресурсов в литосфере Марса (что пока есть неизвестный параметр).

[AlexAV]

Меньшая сила тяжести 0.38Gз приводит к тому, что не достигается порог удержания для легких газов. Потери атмосферы идут намного быстрее, чем для Земли и Венеры.

На самом деле у Марса потери по всем каналам (надтепловые ион-молекулярные реакции, сдувание солнечным ветром, тепловая диссипация Джинса) весьма незначительны (хотя конечно и существенно больше чем у Земли). Это не является препятствием для удержания атмосферы в течении геологически большого времени (миллиарды лет).

 

Главное тут то, что масса планеты всего 0.1Мз. По любому исходная масса атмосферы должна была быть меньше на порядок.

А вот здесь безусловно согласен.

Если допустить, что два последних фактора дают по одному порядку, то получим 10х10х10 = 1000 или ожидаемое давление 1 мбар, что в 6-8 раз меньше реального и не учитывает значительные запасы газов на полюсах. Значит, оценки на порядок просто взяты несколько завышенными, но совсем чуть-чуть.

Здесь неточность. Большая часть тех газов, которые выделались из мантии на земле сейчас захоронены в осадочных породах. Если бы всё это осталось в атмосфере - была бы не Земля, а Венера. Т.е. первичный объём вещества высвободившегося при дегазации на земле приблизительно в 100 раз больше чем современная масса атмосферы.

Вывод напрашивается такой, что даже без катаклизмов атмосфера Марс не могла быть плотной.

Однако считается, что в течение нойской и гесперийской эры Марс имел постоянную гидросферу, что подразумевает (с учётом слабого Солнца) весьма плотную атмосферу. Современные фактически наблюдаемые механизмы диссипации неспособны объяснить её потерю только за счёт ухода в космос. Т.е. или эта атмосфера захоронена в литосфере, либо были факторы диссипации имевшие место тогда (импакты, большая активность молодого солнца и т.д.), но отсутствующие сегодня.

[AlexAV]

По мере роста давления, равновесие для углекислоты на полюсах будет смещаться в сторону испарения: чем больше мы добавим кислорода (или другого газа) в атмосферу, тем больше углекислоты испарится.

Согласен, если процесс пойдёт, то будет происходить с положительной обратной связью.

Т.е. чем больше кислорода - тем выше давление (причём не только за счёт кислорода, но и испарения полярных шапок) - тем теплее и  влажнее климат, а так же ниже уровень ультрафиолета - больше растений - и ещё больше кислорода.

[AlexAV]

Не все плохо на Марсе. Есть и положительные моменты - в отличие от Венеры у него вполне приемлемые сутки, а атмосфера - дело наживное.

Да сутки - ладно, это вообще не проблема. Куда хуже, что воды там практически нет и взять даже теоретически негде. Да и избыток чего-то иногда бывает хуже недостатка. Куда девать эти 90 атм углекислого газа при условии, что в условиях Венеры он не может связаться в карбонаты практически принципиально тоже совершенно не ясно.

[AlexAV]

Поскольку все эти миллиарды лет шли потери

Здесь очень важна природа этих потерь. Если это было преимущественно захоронение в карбонаты, то такие потери не являются совсем уж необратимыми (а если в течение нойской и гесперийской эр там была жидкая вода, то этот процесс был просто обязан идти, а по опыту земли можно сказать что удаляет он углекислый газ из атмосферы весьма эффективно).

Вообще на Марсе могут существовать три депо углекислого газа:
1) Сухой лёд в полярных шапках
2) Газовые клатраты в вечной мерзлоте
3) Отложения карбонатных пород

Собственно, если на Марсе действительно когда-то была жидкая вода (т.е. современные представления о его геологической истории верны), то его атмосферу надо искать преимущественно в третьем пункте.

[AlexAV]

Поэтому может и нет проблемы с нехваткой тех или иных компонент и не нужно вводить новые случайности в историю планет?

Возможно. Однако если мы говорим об освоении, то нам существенна ситуация на сегодняшний день. А здесь ответ может дать только детальная геологоразведка современного Марса, которая бы дала ответ сколько в его литосфере точно воды, углекислого газа и известняков. Собственно от её результатов и будет зависть ответ на вопрос стоит ли рассматривать Марс как объект для освоения или его надо вычеркнуть как совершенно бесперспективный.

[AlexAV]

В общем все эти рассуждения приводят к тому, что в осадочных породах Марса нет значительных запасов ни СО2, ни азота, с помощью которых можно было бы создать приемлимую атмосферу.

Вывод не вполне ясен. Т.е. приемлемая атмосфера это собственно где-то 100 мбар кислорода (это соответствует парциальному давлению кислорода в наиболее высокогорных постоянных поселениях на Земле). Дополнительный азот же вообще не нужен. Для обеспечения живых организмов им как биогеном хватит того что и так есть (плюс что-то в грунте), для дыхания же он не нужен.

Даже если количество захороненного углекислого газа эквивалентно 2 бар, то и этого для создания такой атмосферы достаточно с избытком.

[AlexAV]

Вы предлагаете сделать на Марсе чисто кислородную атмосферу?
Но ведь она крайне пожароопасна, нет?

Так ведь пожароопасность не только от состава, но и от давления зависит. 1 бар чистого кислорода - это да, кошмар. Но речь ведь о величине в пять-десять раз меньшей.

P.S. В американских Аполлонах использовали чистый кислород под давлением 350 мбар, что было принято как приемлемое с точки зрения безопасности. Для выживания же человека достаточно более чем в три раза меньшего давления, т.е. 100 мбар. Пожароопасность при этом будет тем более приемлемой.

[AlexAV]

Если мои приблизительные прикидки (исходя из соотношения азота/аргона/СО2 на Венере/Земле/Марсе) верны, и первоначальная атмосфера могла быть около 2 бар, то тогда выходит, что весь азот улетучился, а СО2 совсем не улетучивался.

Углекислый газ очень быстро и эффективно связывается литосферой в присутствии воды. Сейчас на земле (при очень низком парциальном давлении) где-то по 100 млн. т. в год. Собственно более удивительно как исходно 2 атм могли поддерживать приемлемые условия 1,5 млрд. лет (продолжительность нойской и гесперийской эры), чем куда он делся. Даже при земной скорости связывания углекислого газа (при том что при большем парциальном давлении она на самом деле пропорционально растут) это соответствует потерям в 26 атм/ млрд. лет.

В принципе, этот вариант возможен. Азот убегает быстрее, чем СО2, т.к. N2 может расчепляться на атомарный азот под действием излучения (кстати, а может ли СО2 распастся на составляющие, или он улетучивается только целыми молекулами?), и целая молекула N2 легче, чем СО2.

Если бы он так улетучивался, то марс сейчас вообще не имел атмосферы. Потеря атмосферы (выроженная в тоннах в год) линейный процесс, зависящий от давления на поверхности очень слабо. 

В принципе, этот вариант возможен. Азот убегает быстрее, чем СО2, т.к. N2 может расчепляться на атомарный азот под действием излучения (кстати, а может ли СО2 распастся на составляющие, или он улетучивается только целыми молекулами?), и целая молекула N2 легче, чем СО2.

Ну так процесс захоронения азота там тоже должен был быть. С учётом его исходно меньшего количества его вклад может быть весьма заметен не смотря на существенно меньшую скорость.

С другой стороны, соотношение С13 / С12 больше, чем на Земле, т.е. углекислый газ всё-таки улетучивался (учитывая, то, что разница по массе между изотопами не столь велика, а в составе СО2 речь идет о различии по массе молекулы лишь на 2%). Из этого следует, что углекислого газа всё-таки улетучилось весьма много.

Скорее в течении нойской и гесперийской эр большая часть первоначального углекислого газа (и возможно часть азота) была захоронена в литосфере. А остатки былой атмосферы после исчезновения жидкой воды подвергались изотопной сепарации в результате диссипации. При этом полные потери атмосферы в результате диссипации могут быть и сравнительно невелики, на уровне десятка миллибар (на самом деле объяснить большие только на основании наблюдаемых сегодня механизмов диссипации проблематично, т.е. надо привлекать импакты или что-то ещё) за всё время жизни марса.

Возможно, это 1 бар, или около того. Значит 1 бар СО2 мог быть связан, и 1 бар улетучиться.

Да вот что-то не сходится. За 1.5 млрд лет существования жидкой воды должно было бы быть захоронено количество углекислого газа, соответствующее давлению намного больше, чем 1 атм.

Есть и другой вариант - вода успела улетучиться в космос до того, как на Марсе стало слишком холодно, и с этого момента СО2 перестал связываться.  Или же происходило 2 процесса одновременно - вымораживание воды на полюсах, и улетучивание остатков жидкой воды в космос

Так вода никуда не делась (большей частью). Там её и сейчас полно, по крайней мере в приполярных областях.